張 羽,常 杰,荊煒琛

(1.山西潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 長(zhǎng)治 046100;2.西安科技大學(xué) 安全學(xué)院,西安 710054；3.河南能源化工集團(tuán),鄭州 450046)

瓦斯災(zāi)害作為煤礦五大災(zāi)害之一,限制了我國(guó)礦井生產(chǎn)能力的發(fā)揮[1]。解決瓦斯災(zāi)害最根本的措施就是瓦斯抽采[2]。而在瓦斯抽采中封孔材料自身的密封性能制約著鉆孔的密封效果[3]。諸多學(xué)者在封孔材料方面做了大量的研究[4],任青山等[5]為提高瓦斯抽采鉆孔的密封效果,通過(guò)普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鈣水泥、自制高倍率膨脹劑等材料的復(fù)配,研發(fā)出一種膨脹率高、速凝、高強(qiáng)度的鉆孔密封材料;翟成[6]為了保證瓦斯抽采鉆孔的密封效果,針對(duì)傳統(tǒng)的固體密封材料易漏氣、液體密封材料容易漏失的缺點(diǎn),研制了一種適合鉆孔變形的柔性膠體材料;倪冠華等[7]以水泥為基材,開發(fā)了一種由膨脹摻和劑、添加劑、纖維蛋白和偶聯(lián)劑混合的新型復(fù)合密封材料,并對(duì)材料的密封性能和膨脹性能進(jìn)行了研究和分析;張超等[8]為改善瓦斯抽采鉆孔的封孔效果,對(duì)比分析了普通水泥密封材料與CF新型密封材料的孔隙結(jié)構(gòu)特性;鄭春山等[9]為提高瓦斯抽采鉆孔密封材料的封孔性能,研發(fā)了PD系列封孔材料,使用FEIQuantaTM 250環(huán)境掃描電子顯微鏡分析了其與鉆孔壁結(jié)合特征及其向鉆孔周邊滲透情況,并建立了鉆孔周邊縫隙流體泄漏模型進(jìn)行理論驗(yàn)證;張?zhí)燔姷萚10]為了尋找新型礦用CF材料適宜的膨脹性能, 利用壓汞儀和DNS-200電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)等系統(tǒng),對(duì)不同膨脹劑占比量水平下新型CF材料的孔隙發(fā)育、膨脹-時(shí)間效應(yīng)、膨脹機(jī)理及蠕變特性進(jìn)行了測(cè)試分析。

目前應(yīng)用較多的鉆孔密封材料主要有水泥砂漿和聚氨酯材料[11-12]。水泥材料通常使用“兩堵一注”式封孔方法進(jìn)行密封,但其材料在后期凝固后易出現(xiàn)干裂收縮現(xiàn)象,密封性較差[13];聚氨酯材料通常是固定在抽采管外管壁送入鉆孔內(nèi)部,待材料發(fā)生膨脹后起到密封的作用。兩種材料的密封原理大致相似,但聚氨酯材料滲透性較差且抗壓強(qiáng)度不足,幾乎無(wú)法滲透到鉆孔周邊的微孔裂隙中,材料固化后無(wú)法對(duì)鉆孔形成有效的支護(hù)[14]。為了提高鉆孔密封效果,研制了一種以普通硅酸鹽為基料,輔以其他添加劑的一種新型密封材料，分別用聚氨酯材料和新型密封材料制備標(biāo)準(zhǔn)試件,對(duì)其進(jìn)行孔隙的宏觀與微觀特性分析和抗壓強(qiáng)度分析,驗(yàn)證新型密封材料的優(yōu)良物理特性。

1 新型密封材料孔隙特性分析實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

取一定量的新型密封材料,按照水料比混合攪拌均勻后置入標(biāo)準(zhǔn)模具中,凝固以后取下模具,按照實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)截取直徑1 cm的樣品,將樣品置于掃描電鏡中進(jìn)行觀察。

取PB聚氨酯材料,將袋中兩種材料混合均勻,待其發(fā)泡凝固后取直徑為1 cm的樣品做電鏡掃描。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1)宏觀孔隙分析。圖1為聚氨酯表面凝固圖。從外部觀察發(fā)泡后的聚氨酯材料,發(fā)現(xiàn)聚氨酯材料表面有較大孔隙,如圖1-a所示;切開觀察其中間位置有許多相互貫通的小孔,如圖1-b所示。

圖1 聚氨酯表面凝固圖Fig.1 Polyurethane surface solidification diagram

圖2為新型密封材料圖。從表面觀測(cè)凝固完成后的新型密封材料,如圖2-a所示,發(fā)現(xiàn)材料表面偶爾有微小的凹坑,但整體較為光滑。這是由于新型密封材料中添加劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的氣泡破裂而形成的凹坑。

截開該材料觀察其內(nèi)部孔隙分布情況,如圖2-b和2-c所示,發(fā)現(xiàn)在新型密封材料內(nèi)部存在大量的孔隙,且彼此獨(dú)立存在,互不貫通。這些沒有貫通的孔隙使得新型密封材料具有良好的膨脹性。

2-c 截面放大20倍圖圖2 新型密封材料Fig.2 The new sealing material

2)微觀孔隙分析。圖3為電鏡掃描聚氨酯放大100倍所觀察到的圖像。從圖3可以看出，其內(nèi)部呈現(xiàn)蜂巢網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)且表面較為光滑,同時(shí)測(cè)得該網(wǎng)狀孔洞結(jié)構(gòu)直徑約在0.1～0.5 mm。由此可知,聚氨酯材料光滑的蜂巢網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不僅給氣體的流通提供了便捷的通道,同時(shí)大大降低了氣體流動(dòng)的阻力。在鉆孔瓦斯抽采過(guò)程中,使用聚氨酯材料密封的鉆孔其材料本身就為鉆孔內(nèi)外提供了漏氣通道,從而降低了瓦斯抽采效果。

圖4為電鏡掃描新型密封材料放大400倍的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。從圖4可以看出，即使將其放大400倍,新型密封材料內(nèi)部也只能觀察到極個(gè)別單一的孔隙結(jié)構(gòu),與聚氨酯材料相比新型密封材料自身的致密性保證了氣體無(wú)法從材料本身通過(guò),在鉆孔瓦斯抽采過(guò)程中杜絕了密封材料自身形成的漏氣通道,保證了瓦斯抽采效果。

2 新型密封材料抗壓強(qiáng)度分析

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

2.1.1聚氨酯試樣制備

1)選取規(guī)格為長(zhǎng)100 mm、內(nèi)徑50 mm的有機(jī)玻璃管,在管內(nèi)壁均勻涂抹一層有機(jī)脫模劑;

2)將PB聚氨酯材料中兩種液體混合均勻后,根據(jù)需要稱取一定量的混合料,立刻倒入有機(jī)玻璃管中;

3)待聚氨酯發(fā)泡完成且徹底凝固后,根據(jù)單軸抗壓試驗(yàn)的要求制取標(biāo)準(zhǔn)試件,制得的試件如圖5所示;

圖5 聚氨酯試件Fig.5 Polyurethane specimen

4)將制取的標(biāo)準(zhǔn)試件放在DYD-10電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上,調(diào)節(jié)好試驗(yàn)參數(shù)然后進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)。

2.1.2新型密封材料試樣制備

1)準(zhǔn)備好硅酸鹽水泥、制備密封材料所需的添加劑及燒杯、電子秤、模具等所需的試驗(yàn)制備器材。

2)將準(zhǔn)備好的模具(50 mm×100 mm)內(nèi)部覆蓋一層塑料薄膜,用來(lái)防止?jié){液的滲透及后期試樣的脫模處理。

3)按照配比將硅酸鹽水泥及添加劑混合均勻,根據(jù)水料比制得所需漿液并倒入準(zhǔn)備好的模具中。由于新型密封材料具有一定的膨脹性,因此漿液不能完全充滿模具,需要給新型密封材料留有一定的膨脹空間。

4)將模具密封靜置直至新型密封材料凝固,取出試樣(見圖6),做好標(biāo)記后進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)。

圖6 新型密封材料試件Fig.6 New material specimen

2.1.3單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

采用DYD-10電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)[15]。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下:

1)準(zhǔn)備好材料的標(biāo)準(zhǔn)試件(50 mm×100 mm),確保新型密封材料的光滑平整;

2)開啟電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)并放置好所制試件,對(duì)壓力缸及加載速率進(jìn)行調(diào)試,觀察壓裂過(guò)程中試件的變形破壞情況(見圖7)及應(yīng)力-應(yīng)變曲線的發(fā)展規(guī)律,并作相應(yīng)記錄。

圖7 新型密封材料抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)Fig.7 Compressive strength test of the new sealing material

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1聚氨酯試件抗壓強(qiáng)度分析

圖8為聚氨酯試件壓力隨位移變化圖。

圖8 聚氨酯試件壓力隨位移變化圖Fig.8 Variation of pressure with displacement of polyurethane specimen

由圖8可知,聚氨酯樣品的壓力隨著壓縮位移的增大逐漸增加,而且可以明顯發(fā)現(xiàn)其壓力曲線近乎為一條直線,呈現(xiàn)線性規(guī)律的增加。在聚氨酯試件的壓縮位移從開始?jí)嚎s至5 mm時(shí),其壓力值的變化雖然呈線性增加,但其增加速率極為緩慢,最大壓力都達(dá)不到600 N,此時(shí)計(jì)算其平均壓縮強(qiáng)度僅為190.8 kPa。

2.2.2新型密封材料試件抗壓強(qiáng)度分析

新型密封材料由于其主要原料為硅酸鹽水泥,因此在受壓時(shí)同巖石試件一樣,經(jīng)歷了壓實(shí)、彈性、屈服、破壞四個(gè)階段。圖9為新型密封材料壓力隨壓縮位移變化曲線。

圖9 新型密封材料壓力隨壓縮位移變化曲線Fig.9 Variation of pressure with displacement of the new material specimen

由圖9可知,觀察新型密封材料的受壓曲線,發(fā)現(xiàn)隨著壓縮位移在3.8 mm附近時(shí),其壓力達(dá)到最大為6 400 N,此時(shí)抗壓強(qiáng)度為2.56 MPa。然而新型密封材料較巖石試件在其破壞階段壓力曲線出現(xiàn)了一次降緩和二次降緩,同時(shí)二次降緩區(qū)域的壓力曲線呈波浪形下降,這是由于新型密封材料中膨脹劑發(fā)生化學(xué)變化,在內(nèi)部形成互不貫通的微孔結(jié)構(gòu),這些孔洞在受到較小壓力時(shí),由于具有一定的抗壓強(qiáng)度,沒有出現(xiàn)擠壓變形;當(dāng)其受到進(jìn)一步壓力的作用進(jìn)行相互擠壓閉合,則使材料的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)破碎,導(dǎo)致材料短暫密實(shí)。

2.2.3聚氨酯封孔材料和新型密封材料抗壓強(qiáng)度對(duì)比分析

圖10為聚氨酯與新型密封材料抗壓強(qiáng)度對(duì)比圖。

圖10 聚氨酯與新型密封材料抗壓強(qiáng)度對(duì)比圖Fig.10 Compressive strength comparison of polyurethane and the new sealing material

由圖10可知,新型密封材料的壓力從開始受壓至受壓完成整個(gè)階段均明顯高于聚氨酯材料,同時(shí)隨著壓縮位移的增加,在較小壓縮位移內(nèi),新型密封材料的受壓能力急劇增加,而聚氨酯材料增加較緩。這表明前者的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于后者,在進(jìn)行鉆孔密封時(shí),新型密封材料能夠?qū)︺@孔起到更好的支護(hù)作用。

綜合考慮新型密封材料與聚氨酯材料自身的致密性及抗壓強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)對(duì)比聚氨酯密封鉆孔,使用新型密封材料密封鉆孔,不僅保證了鉆孔的支護(hù)強(qiáng)度,同時(shí)也保證了后期瓦斯抽采的密封性。

3 結(jié)論

1)新型密封材料中含有大量互不貫通的宏觀孔隙,使其在具有良好致密性的同時(shí)仍有較好的膨脹性,而聚氨酯材料有許多相互貫通的孔。

2)掃描電鏡下,聚氨酯材料的微觀結(jié)構(gòu)呈蜂巢狀結(jié)構(gòu),而新型密封材料僅含有極個(gè)別的孔隙結(jié)構(gòu),從材料自身的致密性避免了鉆孔漏氣通道的產(chǎn)生。

3)對(duì)聚氨酯與新型密封材料進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn),得出新型密封材料的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于聚氨酯的抗壓強(qiáng)度,在鉆孔密封過(guò)程中新型密封材料的使用可以大大加強(qiáng)鉆孔的支護(hù)強(qiáng)度,保證鉆孔瓦斯抽采的有效性。